如何利用仿真技術(shù)克服激光粉床熔融的挑戰(zhàn)？看完這3個(gè)生產(chǎn)實(shí)例你就懂了！

來源： Oqton

激光器數(shù)量越多意味著功率越高、打印速度越快、單個(gè)零件成本越低， 至少這是對具有兩臺、三臺、四臺甚至十二臺激光器的新一代激光粉床熔融 (LPBF) 設(shè)備的主要期望。但是，大幅增漲的能量輸入其實(shí)存在意想不到的挑戰(zhàn)。如何識別這些挑戰(zhàn)，又該如何利用仿真技術(shù)應(yīng)對呢？

熱仿真技術(shù)應(yīng)對激光粉床熔融的挑戰(zhàn)
LPBF 是一種增材制造 (AM) 工藝。這種工藝中，將激光束作用于金屬粉末，一層一層地打印出零件。為了提升設(shè)備生產(chǎn)速度，打印機(jī)生產(chǎn)商開始增加更多的激光器，這將導(dǎo)致零件過熱、收縮以及微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能等材料特性發(fā)生變化的風(fēng)險(xiǎn)增加。有時(shí)，即便零件肉眼檢查是正常的，在實(shí)際使用時(shí)卻會出現(xiàn)裂紋或其他失效。

使用含四臺激光器的設(shè)備可能會導(dǎo)致馬氏體時(shí)效鋼（以下簡稱模具鋼）嚴(yán)重過熱，這一點(diǎn)可通過變色看出。

為了排除使用激光選區(qū)熔融打印可能的失敗，制造商可以對整個(gè)過程進(jìn)行數(shù)字仿真。通過熱仿真，可以研究增加激光器數(shù)量的后果，并預(yù)估它們對零件質(zhì)量的影響。

目前， 熱仿真著重處理單個(gè)零件，研究支撐結(jié)構(gòu)或零件本身是否足以將熱量輸送到基板上。不過，為了準(zhǔn)確預(yù)測單個(gè)零件的溫度，需要知道整個(gè)任務(wù)的打印速度。即使兩個(gè)零件之間未傳遞任何熱量，但是仍然需要考慮真實(shí)的打印設(shè)置，這一點(diǎn)至關(guān)重要。


Amphyon賦能激光熔融工藝
仿真軟件 Amphyon 采用兩階段法來實(shí)現(xiàn)對激光選區(qū)熔融工藝的精確仿真。

首先，Amphyon 根據(jù)激光器的數(shù)量、激光功率、掃描速度、鋪粉時(shí)間等參數(shù)計(jì)算出打印速度。然后，Amphyon 通過熱學(xué)有限元分析來預(yù)測絕對溫度。在這種情況下，不計(jì)算熔化溫度以上的峰值，因?yàn)樵摂?shù)值并不相關(guān)。相反，需要知道的是在開始掃描下一層之前的零件環(huán)境溫度。如果某一層生成的溫度過高，Amphyon 可以計(jì)算出冷卻所需的時(shí)間，最終節(jié)省打印時(shí)間。

讓通過三個(gè)生產(chǎn)實(shí)例，為您展示如何借助仿真來避免過熱。這三個(gè)實(shí)例是基于工程師在激光選區(qū)熔融中遇到的真實(shí)場景。

實(shí)例 1：單激光設(shè)備與四激光設(shè)備
您可能會認(rèn)為，單激光設(shè)備與四激光設(shè)備之間的唯一區(qū)別就是功率不同。但通過仿真發(fā)現(xiàn)，此過程遠(yuǎn)比表面上看到的情況復(fù)雜。

針對用模具鋼制造模具進(jìn)行的熱仿真顯示，在一臺設(shè)備上再增加三臺激光器將會顯著提高溫度峰值。使用單激光器設(shè)備制造的零件，其溫度峰值約為 162°C (324°F)；使用四激光器設(shè)備后，零件溫度峰值達(dá)到 351°C (664°F)。

當(dāng)溫度如此高的鋼材迅速冷卻到室溫時(shí)，會變成馬氏體，這是一種既硬又脆的鐵碳固溶體。這種材料的表現(xiàn)也是不同于其他材料的。

在本例中，通過仿真發(fā)現(xiàn)，使用更多的激光器會改變零件的質(zhì)量以及零件在后期加工和最終應(yīng)用中的表現(xiàn)。

通過仿真，可以比較單激光器設(shè)備和四激光器設(shè)備在打印此大型零件時(shí)達(dá)到的溫度峰值。

實(shí)例 2：單個(gè)零件與滿版打印
正如熱仿真所示，打印平臺上的零件數(shù)量會顯著改變零件的溫度和質(zhì)量。

為了研究這一現(xiàn)象，將放置九個(gè)零件的打印平臺和僅一個(gè)零件的打印平臺進(jìn)行對比。這些零件均采用相同打印設(shè)置，在同一臺設(shè)備上用 316L 不銹鋼制造。溫度峰值的差異相當(dāng)顯著：排版多個(gè)零件后的溫度峰值為 248°C (478°F)，而單個(gè)零件的溫度峰值高達(dá) 658°C (1216°F)。

測試表明，單個(gè)零件的打印不能代表排版多個(gè)零件的生產(chǎn)環(huán)境。據(jù)此可推，不應(yīng)該假設(shè)零件的質(zhì)量完全一致，因?yàn)闇囟壬�高會�?dǎo)致進(jìn)一步的熱變形和收縮，從而產(chǎn)生不同的材料性能。

排版多個(gè)零件和單個(gè)零件的仿真實(shí)例可以看出，溫度峰值的差異相當(dāng)顯著。

實(shí)例 3：不同高度的零件

用八根拉力試棒圍繞一個(gè) TC4 零件進(jìn)行了仿真。雖然拉伸棒從未超過 325°C (617°F)，但零件本身卻過熱了，其上部區(qū)域達(dá)到 600-700°C (1112-1292°F) 的溫度,根本原因在于上部區(qū)域每層打印面積的減少導(dǎo)致了打印速度的加快。打印速度的加快則會導(dǎo)致散熱的時(shí)間不一樣。而溫度的差異會導(dǎo)致零件和拉伸棒的材料性能發(fā)生變化，即使它們是在同一任務(wù)中制造的。

這項(xiàng)經(jīng)驗(yàn)也適用于其他生產(chǎn)任務(wù)中。零件的高度與拉力試棒不同，導(dǎo)致了溫度峰值的差異。要確定準(zhǔn)確的溫度峰值，最好對該過程進(jìn)行仿真。

對零件和拉力試棒進(jìn)行的仿真表明，雖然拉力試棒的溫度不超過 300℃，但實(shí)際零件的上部區(qū)域已經(jīng)過熱，溫度高達(dá) 600-700℃。

這三種情況是工程師在使用激光選區(qū)熔融技術(shù)時(shí)經(jīng)常遇到的場景。Oqton堃騰的 Amphyon軟件可通過精確的打印速度分析和熱仿真，包含實(shí)現(xiàn)熱穩(wěn)定打印的自適應(yīng)方法，幫助工程師避免零件制造過程中出現(xiàn)的意外問題。

Oqton 堃騰
Oqton（堃騰）聚焦運(yùn)用AI人工智能、云計(jì)算技術(shù)研發(fā)智能自動化制造解決方案，賦能制造企業(yè)提高創(chuàng)新和效率。旗下Manufacturing OS連接工程設(shè)計(jì)和生產(chǎn)現(xiàn)場制造，為制造企業(yè)提供全組織完整可追溯性和可見性。 Geomagic、3DXpert 和 Amphyon軟件在逆向工程、三維檢測、有機(jī)設(shè)計(jì)、3D 打印及成型仿真模擬方面協(xié)助制造企業(yè)快速連接分布式工程和生產(chǎn)任務(wù)、完成復(fù)雜工程和生產(chǎn)任務(wù)。